ReentrantLock底层原理学习一

J.U.C 简介

Java.util.concurrent 是在并发编程中比较常用的工具类，里面包含很多用来在并发场景中使用的组件。比如线程池、阻塞队列、计时器、同步器、并发集合等等。并发包的作者是大名鼎鼎的 Doug Lea。我们在接下来的课程中，回去剖析一些经典的比较常用的组件的设计思想

Lock

Lock 在 J.U.C 中是最核心的组件，前面我们讲 synchronized 的时候说过，锁最重要的特性就是解决并发安全问题。为什么要以 Lock 作为切入点呢？如果有同学看过 J.U.C 包中的所有组件，一定会发现绝大部分的组件都有用到了 Lock。所以通过 Lock 作为切入点使得在后续的学习过程中会更加轻松。

Lock 简介

在 Lock 接口出现之前，Java 中的应用程序对于多线程的并发安全处理只能基于synchronized 关键字来解决。但是 synchronized 在有些场景中会存在一些短板，也就是它并不适合于所有的并发场景。但是在 Java5 以后，Lock 的出现可以解决synchronized 在某些场景中的短板，它比 synchronized 更加灵活。

Lock 的实现

Lock 本质上是一个接口，它定义了释放锁和获得锁的抽象方法，定义成接口就意味着它定义了锁的一个标准规范，也同时意味着锁的不同实现。实现 Lock 接口的类有很多，以下为几个常见的锁实现
ReentrantLock：表示重入锁，它是唯一一个实现了 Lock 接口的类。重入锁指的是线程在获得锁之后，再次获取该锁不需要阻塞，而是直接关联一次计数器增加重入次数
ReentrantReadWriteLock：重入读写锁，它实现了 ReadWriteLock 接口，在这个类中维护了两个锁，一个是 ReadLock，一个是 WriteLock，他们都分别实现了 Lock接口。读写锁是一种适合读多写少的场景下解决线程安全问题的工具，基本原则是： 读和读不互斥、读和写互斥、写和写互斥。也就是说涉及到影响数据变化的操作都会存在互斥。
StampedLock： stampedLock 是 JDK8 引入的新的锁机制，可以简单认为是读写锁的一个改进版本，读写锁虽然通过分离读和写的功能使得读和读之间可以完全并发，但是读和写是有冲突的，如果大量的读线程存在，可能会引起写线程的饥饿。stampedLock 是一种乐观的读策略，使得乐观锁完全不会阻塞写线程。

Lock 的类关系图

Lock 有很多的锁的实现，但是直观的实现是 ReentrantLock 重入锁

void lock() // 如果锁可用就获得锁，如果锁不可用就阻塞直到锁释放
void lockInterruptibly() // 和lock()方法相似, 但阻塞的线程 可 中 断 ， 抛 出java.lang.InterruptedException 异常
boolean tryLock() // 非阻塞获取锁;尝试获取锁，如果成功返回 true
boolean tryLock(long timeout, TimeUnit timeUnit) //带有超时时间的获取锁方法
void unlock() // 释放锁

ReentrantLock 重入锁

重入锁，表示支持重新进入的锁，也就是说，如果当前线程 t1 通过调用 lock 方法获取了锁之后，再次调用 lock，是不会再阻塞去获取锁的，直接增加重试次数就行了。synchronized 和 ReentrantLock 都是可重入锁。锁会存在重入的特性，那是因为对于同步锁的理解程度还不够，比如在下面这类的场景中，存在多个加锁的方法的相互调用，其实就是一种重入特性的场景。

重入锁的设计目的

比如调用 demo 方法获得了当前的对象锁，然后在这个方法中再去调用demo2，demo2 中的存在同一个实例锁，这个时候当前线程会因为无法获得demo2 的对象锁而阻塞，就会产生死锁。重入锁的设计目的是避免线程的死锁。

public class ReentrantDemo{
	 public synchronized void demo(){
		 System.out.println("begin:demo");
		 demo2();
	 }
	 public void demo2(){
		 System.out.println("begin:demo1");
			 synchronized (this){
			 }
		 }
		 public static void main(String[] args) {
		 ReentrantDemo rd=new ReentrantDemo();
		 new Thread(rd::demo).start();
	 }
}

ReentrantLock 的使用案例

public class AtomicDemo {
 private static int count=0;
 static Lock lock=new ReentrantLock();
 public static void inc(){
	 lock.lock();
	 try {
	 	Thread.sleep(1);
	 } catch (InterruptedException e) {
		 e.printStackTrace();
	 }
	 count++;
	 lock.unlock();
 }
 public static void main(String[] args) throws 
InterruptedException {
	 for(int i=0;i<1000;i++){
	 	new Thread(()->{AtomicDemo.inc();}).start();;
	 }
	 	Thread.sleep(3000);
		System.out.println("result:"+count);
	 }
}

ReentrantReadWriteLock

我们以前理解的锁，基本都是排他锁，也就是这些锁在同一时刻只允许一个线程进行访问，而读写所在同一时刻可以允许多个线程访问，但是在写线程访问时，所有的读线程和其他写线程都会被阻塞。读写锁维护了一对锁，一个读锁、一个写锁; 一般情况下，读写锁的性能都会比排它锁好，因为大多数场景读是多于写的。在读多于写的情况下，读写锁能够提供比排它锁更好的并发性和吞吐量.

public class LockDemo {
 static Map<String,Object> cacheMap=new HashMap<>();
 static ReentrantReadWriteLock rwl=new 
ReentrantReadWriteLock();
 static Lock read=rwl.readLock();
 static Lock write=rwl.writeLock();
 public static final Object get(String key) {
	 System.out.println("开始读取数据");
	 read.lock(); //读锁
	 try {
	 return cacheMap.get(key);
	 }finally {
	 	read.unlock();
	 }
 }
	 public static final Object put(String key,Object value){
		 write.lock();
		 System.out.println("开始写数据");
		 try{
		 	return cacheMap.put(key,value);
		 }finally {
		 	write.unlock();
		 }
	 }
}

在这个案例中，通过 hashmap 来模拟了一个内存缓存，然后使用读写所来保证这个内存缓存的线程安全性。当执行读操作的时候，需要获取读锁，在并发访问的时候，读锁不会被阻塞，因为读操作不会影响执行结果。
在执行写操作是，线程必须要获取写锁，当已经有线程持有写锁的情况下，当前线程会被阻塞，只有当写锁释放以后，其他读写操作才能继续执行。使用读写锁提升读操作的并发性，也保证每次写操作对所有的读写操作的可见性
? 读锁与读锁可以共享
? 读锁与写锁不可以共享（排他）
? 写锁与写锁不可以共享（排他）

ReentrantLock 的实现原理

我们知道锁的基本原理是，基于将多线程并行任务通过某一种机制实现线程的串行执行，从而达到线程安全性的目的。在 synchronized 中，我们分析了偏向锁、轻量级锁、乐观锁。基于乐观锁以及自旋锁来优化了 synchronized 的加锁开销，同时在重量级锁阶段，通过线程的阻塞以及唤醒来达到线程竞争和同步的目的。那么在 ReentrantLock 中，也一定会存在这样的需要去解决的问题。就是在多线程竞争重入锁时，竞争失败的线程是如何实现阻塞以及被唤醒的呢？
AQS 是什么 
在 Lock 中，用到了一个同步队列 AQS，全称 AbstractQueuedSynchronizer，它是一个同步工具也是 Lock 用来实现线程同步的核心组件。如果你搞懂了 AQS，那么 J.U.C 中绝大部分的工具都能轻松掌握。
AQS 的两种功能 从使用层面来说，AQS 的功能分为两种：独占和共享
独占锁，每次只能有一个线程持有锁，比如前面给大家演示的 ReentrantLock 就是以独占方式实现的互斥锁
共 享 锁 ， 允 许 多 个 线 程 同 时 获 取 锁 ， 并 发 访 问 共 享 资 源 ， 比 如ReentrantReadWriteLock。
AQS 的内部实现 
AQS 队列内部维护的是一个 FIFO 的双向链表，这种结构的特点是每个数据结构都有两个指针，分别指向直接的后继节点和直接前驱节点。所以双向链表可以从任意一个节点开始很方便的访问前驱和后继。每个 Node 其实是由线程封装，当线程争抢锁失败后会封装成 Node 加入到 ASQ 队列中去；当获取锁的线程释放锁以后，会从队列中唤醒一个阻塞的节点(线程)。

Node 的组成

释放锁以及添加线程对于队列的变化
当出现锁竞争以及释放锁的时候，AQS 同步队列中的节点会发生变化，首先看一下添加节点的场景。

里会涉及到两个变化
1. 新的线程封装成 Node 节点追加到同步队列中，设置 prev 节点以及修改当前节点的前置节点的 next 节点指向自己
2. 通过 CAS 讲 tail 重新指向新的尾部节点head 节点表示获取锁成功的节点，当头结点在释放同步状态时，会唤醒后继节点，如果后继节点获得锁成功，会把自己设置为头结点，节点的变化过程如下：

这个过程也是涉及到两个变化
1. 修改 head 节点指向下一个获得锁的节点
2. 新的获得锁的节点，将 prev 的指针指向 null
设置 head 节点不需要用 CAS，原因是设置 head 节点是由获得锁的线程来完成的，而同步锁只能由一个线程获得，所以不需要 CAS 保证，只需要把 head 节点设置为原首节点的后继节点，并且断开原 head 节点的 next 引用即可